第四章　第一节　第2课时　化学电源 学案 （含答案）—2023-2024学年（人教版2019）高中化学选择性必修1

第2课时　化学电源
[核心素养发展目标]　1.通过对常见化学电源的分析，建立对原电池认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。2.增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。
一、化学电源和一次电池
1．化学电源概述
(1)化学电源的分类
________是各种化学电源的雏形，常分为：____________、__________和__________。
(2)判断电池优劣的主要标准
①比能量：_________或_________所能输出________的多少，单位是W·h·kg－1或W·h·L－1。
②比功率：单位质量或单位体积所能输出____________的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。
③电池可储存时间的长短。
(3)化学电池的回收利用
使用后的废旧电池中常含有__________、酸和碱等物质，随意丢弃会对生态环境和人体健康造成危害。因此，废旧电池要进行回收利用。
(4)化学电源的发展方向
小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护的电池受到人们的青睐，如________电池、__________电池等。
2．一次电池
一次电池也叫________。放电后不可再充电的电池。
碱性锌锰电池
(1)电池构造
负极反应物：________；正极反应物：____________；电解质：____________。
(2)工作原理
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。
负极：________________________________________________________________________；
正极：________________________________________________________________________。
普通锌锰电池构造如图，回答问题：
(1)负极：________；正极：________；电解质主要成分：氯化铵。
(2)电池工作原理：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)，写出电池的电极反应：
负极：________________________________________________________________________；
正极：________________________________________________________________________。
(3)普通锌锰电池的缺点有__________________________________________________
________________________________________________________________________；
与普通锌锰电池比较，碱性锌锰电池的优点是________________________________
________________________________________________________________________。
(4)废旧电池不能随意丢弃，原因是__________________________________________
________________________________________________________________________。
1．日常所用锌锰干电池的电极分别为锌筒和石墨棒，以糊状NH4Cl作电解质，电极反应为Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋，2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO(OH)。下列有关锌锰干电池的叙述正确的是(　　)
A．干电池中锌筒为正极，石墨棒为负极
B．干电池可实现电能向化学能的转化
C．干电池长时间连续工作后，糊状物可能流出，腐蚀用电器
D．干电池工作时，电流方向是由锌筒经外电路流向石墨棒
2．体温枪能快速检测人体体温，该体温枪所用的电池为一种银锌电池(如图所示)，电池的总反应式为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。下列关于该电池的说法正确的是(　　)
A．Ag2O电极作正极，发生氧化反应
B．该电池放电时溶液中的K＋向Zn电极移动
C．电池工作时，电流从Ag2O电极经过隔板流向Zn电极
D．该电池的负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
二、二次电池
1．二次电池
又称____________或________，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池。
2．铅酸蓄电池
铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
(1)负极是________，正极是________，电解质溶液是____________。
(2)放电反应原理
①负极反应式：__________________________________________________________。
②正极反应式：__________________________________________________________。
③放电过程中，负极质量________，稀H2SO4的浓度________。
(3)充电反应原理：充电过程与其放电过程相反。
(4)铅酸蓄电池的优缺点
①优点：电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。
②缺点：比能量低、笨重。
(1)二次电池的放电过程，负极质量一定减小(　　)
(2)可充电电池的充、放电过程是可逆反应(　　)
(3)铅酸蓄电池充电时，正极接直流电源正极，发生还原反应(　　)
一种锂离子电池的负极材料为嵌锂石墨(LixCy)，正极材料为钴酸锂(LiCoO2)，电解质溶液为六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸酯溶液(无水)，电池反应原理如下：
LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy
当电池放电时：
负极反应式：____________________________________________________________；
正极反应式：____________________________________________________________。
反应过程：放电时，Li＋从石墨中脱嵌移向____极，嵌入钴酸锂晶体中；充电时，Li＋从________晶体中脱嵌，由______极回到______极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间，完成化学能与电能的相互转化。
高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题：
(1)高铁电池的负极材料是____________，放电时负极的电极反应式为___________________
________________________________________________________________________。
(2)放电时，正极发生______(填“氧化”或“还原”)反应；正极的电极反应式为____________
________________________________________________________________________。
放电时，____(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。
三、燃料电池
1．燃料电池
燃料电池是一种连续地将________和________的化学能直接转化为________的化学电源。电极本身不包含____________，只是一个催化转化元件。
2．氢氧燃料电池
(1)基本构造
(2)工作原理
酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH)
负极反应
正极反应
总反应
3.燃料电池的优点
(1)工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出，能连续不断地提供电能。
(2)能量转换率高，有利于节约能源。
(3)排放的废弃物少，绿色环保。
4．燃料电池电极反应式的书写方法
(1)负极为燃料，失电子，发生氧化反应。
如CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式书写方法：
第一步　确定生成物
CH4；
第二步　确定电子转移和变价元素原子守恒
H4－8e－―→O＋H2O；
第三步　依据电解质性质，用OH－使电荷守恒
CH4－8e－＋10OH－―→CO＋H2O；
第四步　最后根据氢原子守恒配平H2O的化学计量数
CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O。
(2)正极为氧气，得电子，发生还原反应。
由于电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，
酸性电解质溶液：________________________________________________________；
碱性电解质溶液：________________________________________________________；
固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－===2O2－；
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－===2CO。
(1)燃料电池所有能量均转化为电能(　　)
(2)燃料电池中通入燃料的一极为正极(　　)
(3)氢氧燃料电池(酸性电解质)中O2通入正极，电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O(　　)
(4)燃料电池电极材料本身不参与化学反应(　　)
(5)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池，放电过程中，H＋从正极区向负极区迁移(　　)
从理论上讲，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，如甲烷、乙醇、肼(N2H4)等。请写出以下原电池的电极反应：
(1)甲烷燃料电池
①电解质溶液：KOH溶液
正极：________________________________________________________________________；
负极：________________________________________________________________________；
总反应：________________________________________________________________________。
②电解质溶液：稀硫酸
正极：________________________________________________________________________；
负极：________________________________________________________________________；
总反应：________________________________________________________________________。
(2)乙醇燃料电池
①电解质溶液：KOH溶液
正极：________________________________________________________________________；
负极：________________________________________________________________________；
总反应式：______________________________________________________________。
②电解质溶液：稀硫酸
正极：________________________________________________________________________；
负极：________________________________________________________________________；
总反应式：______________________________________________________________。
燃料电池电极反应式书写的注意事项
(1)燃料电池的总反应相当于燃料的燃烧。
(2)书写电极反应式及总反应式时，若产物与电解质溶液能反应，电解质溶液要写在总反应式中。
(3)燃料电池正极反应的本质是O2＋4e－===2O2－，产生的O2－存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有密切的关系。
1．如图为氢氧燃料电池工作原理示意图，下列叙述不正确的是(　　)
A．a电极是负极
B．b电极的电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
2．(2023·成都质检)我国科学家设计的一种甲酸(HCOOH)燃料电池如图所示(半透膜只允许K＋、H＋通过)，下列说法错误的是(　　)
A．物质A可以是硫酸氢钾
B．左侧为电池负极，HCOO－发生氧化反应生成HCO
C．该燃料电池的总反应为2HCOOH＋O2＋2OH－===2HCO＋2H2O
D．右侧每消耗11.2 L O2(标准状况)，左侧有1 mol K＋通过半透膜移向右侧
第2课时　化学电源
[核心素养发展目标]　1.通过对常见化学电源的分析，建立对原电池认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。2.增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。
一、化学电源和一次电池
1．化学电源概述
(1)化学电源的分类
原电池是各种化学电源的雏形，常分为：一次电池、二次电池和燃料电池。
(2)判断电池优劣的主要标准
①比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是W·h·kg－1或W·h·L－1。
②比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。
③电池可储存时间的长短。
(3)化学电池的回收利用
使用后的废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质，随意丢弃会对生态环境和人体健康造成危害。因此，废旧电池要进行回收利用。
(4)化学电源的发展方向
小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护的电池受到人们的青睐，如镍氢电池、锂离子电池等。
2．一次电池
一次电池也叫干电池。放电后不可再充电的电池。
碱性锌锰电池
(1)电池构造
负极反应物：锌粉；正极反应物：二氧化锰；电解质：氢氧化钾。
(2)工作原理
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－。
普通锌锰电池构造如图，回答问题：
(1)负极：________；正极：________；电解质主要成分：氯化铵。
(2)电池工作原理：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)，写出电池的电极反应：
负极：________________________________________________________________________；
正极：________________________________________________________________________。
(3)普通锌锰电池的缺点有__________________________________________________；与普通锌锰电池比较，碱性锌锰电池的优点是______________________________________。
(4)废旧电池不能随意丢弃，原因是__________________________________________。
提示　(1)锌筒　石墨棒　(2)Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋　2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO(OH)　(3)在使用过程中，锌会逐渐溶解，使锌外壳逐渐变薄，内部作为电解质的糊状NH4Cl(显酸性)会泄漏出来，腐蚀电器。即使不使用，放置过久，也会失效　碱性锌锰电池不易发生电解质的泄漏，因为消耗的负极改装在电池的内部；碱性电池使用寿命较长，因为金属材料在碱性电解质中比在酸性电解质中的稳定性高(答案合理即可)　(4)防止废旧电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染
1．日常所用锌锰干电池的电极分别为锌筒和石墨棒，以糊状NH4Cl作电解质，电极反应为Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋，2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO(OH)。下列有关锌锰干电池的叙述正确的是(　　)
A．干电池中锌筒为正极，石墨棒为负极
B．干电池可实现电能向化学能的转化
C．干电池长时间连续工作后，糊状物可能流出，腐蚀用电器
D．干电池工作时，电流方向是由锌筒经外电路流向石墨棒
答案　C
解析　干电池中锌筒作负极，非金属石墨棒作正极，A错误；干电池是一次电池，不能实现电能向化学能的转化，B错误；NH4Cl是强酸弱碱盐，水解呈酸性，所以干电池长时间连续使用时内装糊状物可能流出腐蚀用电器，C正确；干电池工作时，电流由正极石墨棒经外电路流向负极锌筒，D错误。
2．体温枪能快速检测人体体温，该体温枪所用的电池为一种银锌电池(如图所示)，电池的总反应式为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。下列关于该电池的说法正确的是(　　)
A．Ag2O电极作正极，发生氧化反应
B．该电池放电时溶液中的K＋向Zn电极移动
C．电池工作时，电流从Ag2O电极经过隔板流向Zn电极
D．该电池的负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
答案　D
解析　根据总反应式可知，Ag2O中银元素化合价降低，得到电子，作原电池正极，发生还原反应，溶液中的K＋向Ag2O电极移动，A、B错误；电池工作时，电流从Ag2O电极经过外电路流向Zn电极，C错误；Zn化合价升高，作原电池负极，根据总反应式可得该电极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，D正确。
二、二次电池
1．二次电池
又称可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池。
2．铅酸蓄电池
铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
(1)负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是稀H2SO4。
(2)放电反应原理
①负极反应式：Pb＋SO－2e－===PbSO4 。
②正极反应式：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O。
③放电过程中，负极质量增大，稀H2SO4的浓度减小。
(3)充电反应原理：充电过程与其放电过程相反。
(4)铅酸蓄电池的优缺点
①优点：电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。
②缺点：比能量低、笨重。
(1)二次电池的放电过程，负极质量一定减小(　　)
(2)可充电电池的充、放电过程是可逆反应(　　)
(3)铅酸蓄电池充电时，正极接直流电源正极，发生还原反应(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×
一种锂离子电池的负极材料为嵌锂石墨(LixCy)，正极材料为钴酸锂(LiCoO2)，电解质溶液为六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸酯溶液(无水)，电池反应原理如下：
LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy
当电池放电时：
负极反应式：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy；
正极反应式：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2。
反应过程：放电时，Li＋从石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中；充电时，Li＋从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间，完成化学能与电能的相互转化。
高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题：
(1)高铁电池的负极材料是____________，放电时负极的电极反应式为_________________。
(2)放电时，正极发生______(填“氧化”或“还原”)反应；正极的电极反应式为___________。放电时，____(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。
答案　(1)Zn　3Zn＋6OH－－6e－===3Zn(OH)2
(2)还原　2FeO＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－　正
解析　放电时，电池的负极上发生氧化反应，负极的电极反应式为3Zn＋6OH－－6e－===3Zn(OH)2，正极上发生还原反应，正极的电极反应式为2FeO＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－，则正极附近生成了OH－，溶液的碱性增强。
三、燃料电池
1．燃料电池
燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。
2．氢氧燃料电池
(1)基本构造
(2)工作原理
酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH)
负极反应 2H2－4e－===4H＋ 2H2－4e－＋4OH－===4H2O
正极反应 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－
总反应 2H2＋O2===2H2O
3.燃料电池的优点
(1)工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出，能连续不断地提供电能。
(2)能量转换率高，有利于节约能源。
(3)排放的废弃物少，绿色环保。
4．燃料电池电极反应式的书写方法
(1)负极为燃料，失电子，发生氧化反应。
如CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式书写方法：
第一步　确定生成物
CH4；
第二步　确定电子转移和变价元素原子守恒
H4－8e－―→O＋H2O；
第三步　依据电解质性质，用OH－使电荷守恒
CH4－8e－＋10OH－―→CO＋H2O；
第四步　最后根据氢原子守恒配平H2O的化学计量数
CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O。
(2)正极为氧气，得电子，发生还原反应。
由于电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，
酸性电解质溶液：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
碱性电解质溶液：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－===2O2－；
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－===2CO。
(1)燃料电池所有能量均转化为电能(　　)
(2)燃料电池中通入燃料的一极为正极(　　)
(3)氢氧燃料电池(酸性电解质)中O2通入正极，电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O(　　)
(4)燃料电池电极材料本身不参与化学反应(　　)
(5)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池，放电过程中，H＋从正极区向负极区迁移(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×
从理论上讲，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，如甲烷、乙醇、肼(N2H4)等。请写出以下原电池的电极反应：
(1)甲烷燃料电池
①电解质溶液：KOH溶液
正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－；
负极：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O；
总反应：CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O。
②电解质溶液：稀硫酸
正极：2O2＋8H＋＋8e－===4H2O；
负极：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋；
总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O。
(2)乙醇燃料电池
①电解质溶液：KOH溶液
正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－；
负极：C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O；
总反应式：C2H5OH＋3O2＋4OH－===2CO＋5H2O。
②电解质溶液：稀硫酸
正极：3O2＋12H＋＋12e－===6H2O；
负极：C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋；
总反应式：C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O。
燃料电池电极反应式书写的注意事项
(1)燃料电池的总反应相当于燃料的燃烧。
(2)书写电极反应式及总反应式时，若产物与电解质溶液能反应，电解质溶液要写在总反应式中。
(3)燃料电池正极反应的本质是O2＋4e－===2O2－，产生的O2－存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有密切的关系。
1．如图为氢氧燃料电池工作原理示意图，下列叙述不正确的是(　　)
A．a电极是负极
B．b电极的电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
答案　B
2．(2023·成都质检)我国科学家设计的一种甲酸(HCOOH)燃料电池如图所示(半透膜只允许K＋、H＋通过)，下列说法错误的是(　　)
A．物质A可以是硫酸氢钾
B．左侧为电池负极，HCOO－发生氧化反应生成HCO
C．该燃料电池的总反应为2HCOOH＋O2＋2OH－===2HCO＋2H2O
D．右侧每消耗11.2 L O2(标准状况)，左侧有1 mol K＋通过半透膜移向右侧
答案　D
解析　HCOOH碱性燃料电池中，左侧电极HCOO－失去电子生成HCO，所在电极为负极，电极反应式为HCOO－＋2OH－－2e－===HCO＋H2O，B正确；由图可知，原电池工作时K＋通过半透膜移向正极(右侧)，右侧电极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，从装置中分离出的物质为K2SO4，放电过程中需补充的物质A是H2SO4或硫酸氢钾，A正确；右侧每消耗11.2 L O2(标准状况)，其物质的量是0.5 mol，转移2 mol电子，左侧有2 mol K＋通过半透膜移向右侧，D错误。